閆小燕

(中冶北方(大連)工程技術(shù)有限公司, 遼寧 大連 116600)

0 引言

2015年，某鋼廠450 m2燒結(jié)機活性焦脫硫脫硝系統(tǒng)正式投運,按照當時環(huán)保排放控制指標進行設(shè)計與項目建設(shè)，即顆粒物、SO2、NOx排放濃度分別不得超過20、50、100 mg/Nm3。項目建成投產(chǎn)后，燒結(jié)煙氣排放指標均優(yōu)于設(shè)計指標。

2019年，生態(tài)環(huán)境部等五部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》[1]，明確燒結(jié)機頭煙氣在基準含氧量16%條件下，顆粒物、SO2、NOx排放濃度分別不得超過10、35、50 mg/Nm3。為應(yīng)對國家日益嚴格的環(huán)保要求，該鋼廠決定對450 m2燒結(jié)機現(xiàn)有活性焦脫硫脫硝系統(tǒng)進行擴能升級改造，擴能升級改造仍采用活性焦脫硫脫硝技術(shù)。

擴能升級改造后的活性焦脫硫脫硝系統(tǒng)，在對原有活性焦脫硫脫硝裝置的煙氣系統(tǒng)、制酸系統(tǒng)、氨站系統(tǒng)進行技術(shù)改造的基礎(chǔ)上，對活性焦裝置的核心設(shè)備吸附塔和再生塔進行擴能升級改造。升級改造后的活性焦系統(tǒng)，與現(xiàn)有的活性焦系統(tǒng)共同處理所有燒結(jié)煙氣，使燒結(jié)煙氣達到超低排放指標要求。

1 擴能升級改造技術(shù)難點

1.1 氣場分布

活性焦脫硫脫硝技術(shù)，氣場分布是否均勻?qū)⒅苯佑绊懴到y(tǒng)脫硫脫硝效果。擴能升級改造的難點是如何在現(xiàn)有活性焦煙氣系統(tǒng)上，保證擴能改造后的活性焦系統(tǒng)整體煙氣氣場均勻。

1.2 場地限制

現(xiàn)有活性焦脫硫脫硝裝置，是在450 m2燒結(jié)機已建成投產(chǎn)后建設(shè)的，與燒結(jié)主體不是同時設(shè)計，前期沒有考慮脫硫脫硝預(yù)留空間，因此在建設(shè)脫硫脫硝時面臨場地空間不足的問題。如何在現(xiàn)有場地基礎(chǔ)上，在滿足生產(chǎn)、檢修及美觀的前提下，優(yōu)化布局，實現(xiàn)擴能升級改造是工程的難點之一。

2 擴能升級改造技術(shù)介紹

2.1 煙氣系統(tǒng)改造技術(shù)方案

活性焦脫硫脫硝煙氣系統(tǒng)是指將待處理的燒結(jié)煙氣送入吸附系統(tǒng)，同時將凈化后的煙氣送入煙囪排出。煙氣系統(tǒng)改造圍繞如下內(nèi)容進行，確保煙氣流場均勻。

1)取氣點位置研究。本次煙氣系統(tǒng)改造的總體方案是在不另設(shè)增壓風機和煙囪的前提下，將燒結(jié)煙氣引出和送入現(xiàn)有煙囪排放。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，需要躲避管道支架等現(xiàn)有建筑，綜合考慮，取氣接點為圖1所示取氣接點位置，從圖中可以看出，原煙氣系統(tǒng)中，燒結(jié)煙氣經(jīng)主管進入煙氣集氣箱，經(jīng)集氣箱送入6個煙氣支路。本次煙氣改造是在集氣箱的端部取氣，經(jīng)管道遠距離輸送，后送入3個新增設(shè)的煙氣支路。

圖1 煙氣取氣點及煙氣系統(tǒng)改造圖

2)流場模擬分析。對整個煙氣系統(tǒng)進行流程模擬，對取氣點附近流場模擬見圖2，對新增設(shè)的煙氣系統(tǒng)管道流場模擬見圖3。從圖2中可以看出，從取氣接點取氣，能夠保證新增設(shè)煙氣系統(tǒng)氣流的輸入；從圖3中可以看出，在不設(shè)置導流板的情況下，煙氣管道內(nèi)的流速存在不均勻的現(xiàn)象。在施工圖設(shè)計過程中，對流場模擬過程中出現(xiàn)的氣流不均勻位置，均設(shè)置了導流板，確保各部分的氣流均勻。

圖2 原煙氣系統(tǒng)中心面速度云圖

圖3 新增設(shè)煙氣系統(tǒng)中心面速度云圖

3)流量偏差及阻力分析。進入各臺吸附塔的流量及其偏差、阻力(模擬區(qū)域入口至該出口的靜壓差)見表1。

從表1中可以看出，在不考慮調(diào)節(jié)閥門作用下，新增設(shè)煙氣系統(tǒng)流量偏小，原煙氣系統(tǒng)流量偏大，因此必須考慮調(diào)節(jié)閥門的作用，在進行工藝設(shè)計時，需采用調(diào)節(jié)性能及密封性能較好的閥門，各閥門需配有獨立的、帶遠程操作的執(zhí)行機構(gòu)，便于操作人員在中控進行遠程操作。從表1中計算出來，新增煙氣系統(tǒng)與原煙氣系統(tǒng)在模擬區(qū)域入口至各自出口的靜壓差基本一致。

表1 流量、流量偏差、阻力分析

4)煙氣入塔壓力及入塔溫度的保證。為保證新增活性焦脫硫脫硝系統(tǒng)的正常運行，對新增煙氣系統(tǒng)進行阻力計算，通過現(xiàn)場生產(chǎn)實際及校核現(xiàn)有增壓風機選型數(shù)據(jù)，確認增壓風機風量、風壓能夠滿足改造后活性焦脫硫脫硝的需求。

為確保煙氣溫度控制在135 ℃以下進入吸附塔，對現(xiàn)有的煙道換熱系統(tǒng)進行能力復(fù)核，確認現(xiàn)有煙道換熱系統(tǒng)換熱能力能夠滿足改造后的需求。

2.2 吸附再生系統(tǒng)擴能改造技術(shù)方案

1)工程技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)確定。燒結(jié)煙氣的污染物處理是在吸附系統(tǒng)內(nèi)完成的，吸附再生系統(tǒng)擴能改造是本工程的核心。吸附系統(tǒng)內(nèi)活性焦的裝填量、煙氣穿過活性焦床層的流速、煙氣在吸附系統(tǒng)內(nèi)的停留時間是考核煙氣脫硫脫硝效果的重要因素。為保證煙氣的脫硫脫硝效果，在現(xiàn)有煙氣條件下，經(jīng)過大量的實驗，確定了本工程煙氣條件下的工程參數(shù)，工程參數(shù)見表2。

表2 煙氣在脫硫段與脫硝段內(nèi)的工程參數(shù)表項目

2)擴能改造工程技術(shù)配置方案。在對原有吸附系統(tǒng)進行能力核算的基礎(chǔ)上，根據(jù)單臺吸附塔的裝填能力，本次改造增設(shè)3個吸附單元。為與新增吸附單元相配套，配置了一套再生系統(tǒng)，用于恢復(fù)活性焦的活性。增設(shè)吸附再生后的效果如圖4所示。

圖4 擴能改造后吸附再生系統(tǒng)效果圖

吸附再生系統(tǒng)擴能改造新建一套活性焦物料輸送系統(tǒng)，滿足新建吸附設(shè)施與再生設(shè)施之間的物料倒運，以及活性焦消耗的補充，同時新建物料輸送系統(tǒng)與原物料輸送系統(tǒng)通過設(shè)置物料溜管聯(lián)通旁路設(shè)施改造實現(xiàn)兩個輸送系統(tǒng)間的物料倒運。

3)吸附再生擴能改造場地解決方案。為了保證擴能改造的吸附再生系統(tǒng)與原有吸附再生系統(tǒng)能協(xié)同處理燒結(jié)煙氣，保證系統(tǒng)的脫硫脫硝效果，根據(jù)現(xiàn)有場地情況，增設(shè)的吸附再生系統(tǒng)與原有的吸附再生系統(tǒng)場地盡量靠近，以實現(xiàn)物料之間的倒運。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，對現(xiàn)有制酸系統(tǒng)的干吸工段、轉(zhuǎn)化工段、成品工段進行拆除，拆除后的場地用于吸附再生系統(tǒng)的建設(shè)。

4)吸附再生工藝。吸附系統(tǒng)是整個煙氣凈化系統(tǒng)的一個核心。SO2、NOX、二噁英、重金屬及粉塵等污染物的吸附全部在吸附塔內(nèi)完成。新增吸附單元采用錯流式、二級移動床吸附塔。首先，燒結(jié)煙氣由煙道送入一級吸附塔的進氣室，煙氣在進氣室內(nèi)均勻流向兩側(cè)吸附層，與活性焦錯流接觸，在接觸過程中，煙氣中污染物被活性焦吸附。一級凈化后的煙氣進入過渡氣室，在過渡氣室噴入NH3，混合均勻后進入二級吸附塔，再次與活性焦錯流接觸，一方面深度脫除SO2，另一方面脫除NOX，在兩次錯流接觸過程中，燒結(jié)煙氣中的其他污染物也一并被脫除，從而完成了燒結(jié)煙氣的凈化工藝。

再生系統(tǒng)是恢復(fù)活性焦的活性，收集過程中產(chǎn)生的富含SO2的氣體。再生塔由上至下主要有再生塔緩沖倉、雙層給料閥、預(yù)熱段、加熱段、抽氣段、冷卻段、卸料器及溜管等組成。在再生塔中，吸附污染物的活性焦被加熱，再生塔中需通入N2，一方面保證活性焦與空氣隔絕，避免活性焦發(fā)生燃燒著火事故，另一方面被活性焦吸附SO2的被釋放出來，與保護氣體N2混合形成富含SO2的氣體，富硫氣體輸送至制酸工段制取濃硫酸；被活性焦吸附的二噁英在高溫及活性焦催化環(huán)境下，促使其苯環(huán)間的氧基破壞，發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變裂解為無害物質(zhì)。釋放或者分解吸附的污染物后，活性焦獲得再生，再生后的活性焦通過系統(tǒng)設(shè)置的輸送設(shè)備循環(huán)使用。

5)吸附再生系統(tǒng)材質(zhì)選擇。在本次改造過程中，吸附塔再生塔的結(jié)構(gòu)材質(zhì)的選擇是改造的重點工作。

在吸附塔中，與原始煙氣接觸的吸附塔進氣格柵采用碳鋼滲鋁防腐處理；吸附塔下級床層最底部料室進氣側(cè)及出氣側(cè)的透氣格柵板材質(zhì)采用不銹鋼；吸附塔最下一段活性焦料室及下部下料錐斗采用不銹鋼材質(zhì)；再生塔的加熱段、抽氣段換熱管及殼體采用不銹鋼材質(zhì)，冷卻段換熱管采用不銹鋼材質(zhì)。

通過提升塔體材質(zhì)的級別，保證了吸附塔與再生塔的使用壽命，減少日常的檢修工程量。

2.3 物料輸送系統(tǒng)改造

2.3.1 新建活性焦系統(tǒng)物料輸送系統(tǒng)

新建吸附系統(tǒng)與再生系統(tǒng)之間活性焦物料輸送設(shè)備，采用以下形式：吸附塔塔底與塔頂均采用振動給料機，提升段采用斗式提升機，經(jīng)工程實踐證明，此種物料輸送形式安全可靠，故障率較低?；钚越垢鬏斔驮O(shè)備的轉(zhuǎn)運點設(shè)置除塵口，系統(tǒng)內(nèi)溜槽、溜管采用耐磨、耐腐蝕材質(zhì)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式，避免發(fā)生漏料現(xiàn)象。

新活性焦系統(tǒng)設(shè)置活性焦儲料倉一座，滿足新吸附再生系統(tǒng)正常15日消耗量，且新儲料倉的上料，采用便捷高效的上料方式，即活性焦采用斗式提升機的形式輸送至儲料倉，并加大除塵力度，避免活性焦粉塵對工人的傷害。

2.3.2 原上料系統(tǒng)改造

原儲料倉采用電動單梁起重機上料方式，過程復(fù)雜且效率較低。本次改造將電動單梁起重機上料形式改為斗式提升機上料形式，減少人工參與并提高上料速度。改造內(nèi)容包括拆除電動單梁、增設(shè)斗式提升機、加料斗及破袋裝置、增設(shè)除塵罩及除塵風機。本次改造在原有場地靠近原有儲料倉位置進行，需要避開現(xiàn)有熱風爐進氣管道等，改造難度較大。

2.3.3 原有活性焦系統(tǒng)與新活性焦系統(tǒng)之間的物料連通

原有活性焦輸送系統(tǒng)與新增活性焦系統(tǒng)之間設(shè)置聯(lián)通旁路，在事故狀態(tài)下，能夠?qū)崿F(xiàn)老系統(tǒng)與新系統(tǒng)之間的物料倒運。改造方案分兩部分：①新活性焦系統(tǒng)吸附塔進料斗式提升機出口設(shè)置旁路溜管，物料經(jīng)溜管引至原有吸附塔底部鏈斗機中部，實現(xiàn)新活性焦系統(tǒng)向原有活性焦系統(tǒng)的物料倒運；②原活性焦系統(tǒng)吸附塔塔頂振動給料機尾部出料口設(shè)置旁路溜管，物料經(jīng)溜管引至新吸附塔底部振動給料機端部，實現(xiàn)原有活性焦系統(tǒng)向新活性焦系統(tǒng)的物料倒運。

2.4 制酸系統(tǒng)改造

2.4.1 制酸系統(tǒng)改造場地解決方案

制酸系統(tǒng)改造分兩大主體部分改造，第一大部分是制酸前置洗滌及附屬配套工段；第二大部分是制酸主區(qū)域工段，包括干吸工段、轉(zhuǎn)化工段、成品工段以及配套的公用工程等。

制酸前置洗滌及附屬配套工段，建設(shè)場地不變，利舊使用原制酸系統(tǒng)的凈化工序設(shè)施，將制酸系統(tǒng)凈化工段、服務(wù)于凈化工段的循環(huán)水泵站設(shè)施等在原區(qū)域升級改造，在核算凈化能力的前提下，對部分設(shè)備進行擴容改造。

制酸主區(qū)域工段，建設(shè)場地為異地新建區(qū)域，制酸主區(qū)域與制酸前置洗滌區(qū)域距離460 m，在新建區(qū)域，根據(jù)制酸系統(tǒng)設(shè)計能力，重新進行干吸工段、轉(zhuǎn)化工段、成品工段以及配套的公用工程等設(shè)計。

2.4.2 制酸系統(tǒng)改造

為配合吸附再生系統(tǒng)的改造，制酸系統(tǒng)改造后處理的再生氣來源為兩大部分：①450 m2燒結(jié)機原配套再生塔產(chǎn)生的再生氣；②450 m2燒結(jié)機新建再生塔產(chǎn)生的再生氣。

以上兩部分再生氣通過管道匯合后共同進入改造后制酸系統(tǒng)的前置洗滌工段，在前置洗滌工段凈化降溫后，經(jīng)玻璃鋼管道遠距離輸送至新建制酸系統(tǒng)主區(qū)域，經(jīng)干吸工段并經(jīng)后續(xù)轉(zhuǎn)化工段處理后最終制取98%濃硫酸。

本項目新建制酸主區(qū)域產(chǎn)生的制酸尾氣，經(jīng)管道返回至450 m2燒結(jié)機煙氣凈化系統(tǒng)配套增壓風機上游入口管道處，不外排，同時將原有尾氣接口處的尾氣接管截斷并封堵。

2.5 氨站系統(tǒng)改造

本工程新建活性焦系統(tǒng)氨氣氣源從原有氨站系統(tǒng)中引出。原有氨站系統(tǒng)的氨氣稀釋混合區(qū)，已配套稀釋風機全風壓8 500～9 000 Pa，風量9 000～10 000 m3/h，并配套建設(shè)氨空氣混合器1臺。但業(yè)主在調(diào)試噴氨管路過程中，發(fā)現(xiàn)氨空混合器出口流量最大只能達到6 000 m3/h，遠遠達不到9 000～10 000 m3/h，無法保證后續(xù)生產(chǎn)使用。針對工程實際，對原氨站系統(tǒng)稀釋混合區(qū)進行擴容改造，以滿足新建吸附再生系統(tǒng)對噴氨量的需求。

2.5.1 稀釋風機系統(tǒng)改造

原稀釋風機拆除，新設(shè)兩臺稀釋風機，一用一備。風機流量11 000 Nm3/h(設(shè)計裕度10%)，設(shè)計壓力為15 kPa。液氨蒸發(fā)后，用空氣進行稀釋，稀釋后混合氣體中氨的體積濃度≤3.5 %，使NH3濃度低于爆炸下限，稀釋后的氨氣由噴氨裝置均勻噴入各吸附單元的過渡氣室內(nèi)。風機出口采用手動蝶閥，因噴氨量及比例由氨氣調(diào)節(jié)閥控制，空氣流量固定無需調(diào)節(jié)，故空氣流量不再設(shè)置調(diào)節(jié)閥。

2.5.2 增設(shè)空氣預(yù)熱器

為保證氨空混合器的出口混合氣溫度≥110 ℃，在稀釋風機與氨空混合器之間增設(shè)空氣預(yù)熱器，保證混合器出口混合氣溫度≥110 ℃，空氣預(yù)熱器能力需預(yù)留一定的富裕量，保證冬季時混合氣溫度也能≥110 ℃，同時加熱能力可根據(jù)環(huán)境溫度及工藝工況流量可調(diào)節(jié)。

2.5.3 氨氣/空氣混合器改造

為保證氨空混合氣的流量，減少壓力降，改造方案為拆除原有氨氣/空氣混合器，新設(shè)氨空混合器一臺，新設(shè)氨空混合器能力與新設(shè)稀釋風機能力相配套。

2.5.4 氨氣管道

根據(jù)能力核算，原氨氣緩沖罐至氨空混合器之間的氨氣輸送管道的能力滿足改造工程的需要。氨氣管道改造方案為氨空混合器之前的氨氣管道維持不變，對氨空混合器之后的管道進行技術(shù)改造。改造系統(tǒng)中涉及氨氣管道、氮氣管道、蒸汽管道等改造以及管道上的閥門、儀表、電氣、控制聯(lián)鎖等改造內(nèi)容。

3 超低排放改造效果

隨著擴能升級改造工程的順利實施，在450 m2燒結(jié)機生產(chǎn)能力及產(chǎn)生燒結(jié)煙氣量不變的情況下，新增3個單元的活性焦脫硫脫硝系統(tǒng)投入使用后，減少原有6個活性焦脫硫塔的煙氣處理量，在整個脫硫脫硝系統(tǒng)正常運行下，煙囪上CEMS的檢測數(shù)據(jù)顯示，燒結(jié)煙氣達到超低排放標準，硫化物、氮氧化合物及粉塵的排放指標均優(yōu)于標準要求，超低排放改造工程順利完成。圖5為現(xiàn)場操作畫面。

圖5 現(xiàn)場操作畫面圖

4 結(jié)語

1)活性焦脫硫脫硝系統(tǒng)可以通過增加吸附塔單元數(shù)，增加煙氣在活性焦系統(tǒng)內(nèi)的停留時間，達到超低排放的要求。

2)活性焦系統(tǒng)超低排放改造過程中，煙氣流場分布是改造的關(guān)鍵，要通過流場模擬，全流程壓頭計算等手段確保煙氣流場分布均勻。

3)活性焦系統(tǒng)改造，增設(shè)吸附系統(tǒng)與增設(shè)再生系統(tǒng)需同步考慮，確保活性焦系統(tǒng)完整性。

4)活性焦系統(tǒng)改造，需要復(fù)核原制酸系統(tǒng)和氨站系統(tǒng)能力，制酸系統(tǒng)能力不足，將導致副產(chǎn)物無法有效回收，影響吸附再生系統(tǒng)的正常運行；氨站系統(tǒng)能力不足，影響系統(tǒng)的脫硝能力，無法實現(xiàn)超低排放限制要求。